单相中的传质.ppt

第四章 传质过程 第一节 传质分离过程概述 在含有两个或两个以上组分的混合体系中，如果存在浓度梯度，某一组分（或某些组分）将由高浓度区向低浓度区移动，该移动过程称为传质过程。 传质过程可以在一相中进行，也可以在两相间进行，两相间的传质过程是分离过程的基础。 一、传质分离操作在化工生产中的作用 化学反应是化工生产的核心，但是分离提纯反应混合物所用的设备投资却在整个工艺中占有较大比例。如石油化学工业中，用于物料分离的设备投资大约占总投资额的50％～90％，而用于分离操作的费用在生产成本中也占有很大的比例。所以分离操作是化工生产中重要的单元操作。 二、分离操作的种类 分离过程可分为机械分离和传质分离两类。 1．机械分离 它是对两相混合物料的简单分离（如过滤、沉降等），不发生相间的物质传递。 2 ．传质分离 是质量传递过程，又分为两种形式： 1）一种是在两相中进行的物质分离； 当组成不同的两相互相接触时，其中一个或几个组分可以从一相转移到另一相。通常是对均相混合物提供热量或加入某种溶剂，使之形成两相，并利用混合物中各组分在两相中的溶解性或挥发性等物理性质的差异来实现某些组分在相间的转移（如吸收、蒸馏、萃取等）以达到对混合物分离提纯的目的。 2）另一种是在一相中进行，如热扩散、膜分离等。 三、化工生产中常见的传质分离操作 1）蒸馏 利用液体混合物中各组分挥发性的差异来进行的分离，通过部分汽化和部分冷凝交替进行，使气液两相充分接触进行物质交换，达到将混合物分离的目的。 2）吸收与解吸 对于气体混合物，可选择合适的液体溶剂（吸收剂）在专用设备中使之与气体充分接触，气体中的一个或几个组分由气相转入液相，从而实现对混合气体的分离，这种操作称为吸收；此外伴有化学反应的吸收操作称为化学吸收。 解吸是将被吸收的气体组分从吸收剂中脱出的过程。 3）液－液萃取 利用液体混合物中各组分在不同溶剂中溶解度的差异来分离液体混合物的方法。 可分离各组分沸点接近的混合液、恒沸溶液以及热敏性混合液，也能处理低浓度的物料，且回收率较高，所以广泛用于工业生产中。 4）吸附 当某些固体与液体或气体混合物接触时，气体或液体中某一或某些组分能以扩散的方式从气相或液相进入固相。 吸附分离操作是根据气体或液体混合物中不同组分在固体上被吸附的程度不同而进行分离的过程。 常用于微量杂质和毒物的吸附，也用于对物料脱色、除臭、回收溶剂以及干燥等生产过程，也可以分离那些性质非常相近的组分，如从混合二甲苯中分离出邻、间、对二甲苯。 5）干燥 是对湿物料加热，使物料中所含的湿分气化，并不断排出湿蒸气而得到干燥固体的操作。 在干燥过程中传热和传质同时进行，并伴有相变。 6）膜分离 以天然或人工合成的高分子薄膜为分离介质，当膜的两侧存在某种动力（如压力差、浓度差等）时，混合物中的某一组分或某些组分可选择性地透过膜而与混合物中其他组分分离。与常规分离手段相比，膜分离技术具有低能耗、单级分离效率高、过程简单、无污染等优点。 反渗透、电渗析、超虑、微虑等。 7）热扩散 是由温度梯度而引起的物质扩散，如同位素3H和4H的分离。 第二节 气－液传质过程机理 物质在两相间从一相转移到另一相的传递过程一般经历三个步骤： 一、单相中的传质 在单相流体内，物质的传递分为分子扩散和对流扩散两种形式。分子扩散是物质分子在静止流体或层流流体中的扩散，相当于传热中的传导；对流扩散是物质湍流流体中发生质点位移的结果，相当于传热中的对流。 1．分子扩散 在单相物系内，以分子扩散方式迁移物质的速度，即为分子扩散速度，遵循Fick定律：分子扩散速度与扩散面积成正比，与浓度梯度成正比，物质传递的方向沿浓度降低的方向。其数学表达式为： 上式也可以写成扩散通量的形式，即： 1）等分子逆流扩散 若二组分A和B混合气体为理想气体，且各处的总压强及温度相同，那么各点的总浓度应相等。即： 则可以得到： 2）单向扩散 吸收过程就是单向扩散。在吸收操作中，惰性组分B不溶于液体中，而组分A则不断溶于液相，使得流体主体与相界面处之间形成总压梯度，促成了A和B从流体向界面处的总体流动传递的量为NA’’+NB’’，且NA’’﹕ NB’’ ＝cA﹕cB； 组分A在单向扩散中的传递速率为： 边界条件： 若以分压表示： 3）扩散系数 是物质的物性常数，它表明该物质在均匀介质中的扩散能力。其物理意义是：扩散物质在单位面积、单位浓度梯度下的扩散速率，单位为m2/s。 扩散系数的数值由实验测定，若数据不完备，需要根据经验公式计算。 扩散组分A在气体B中的扩散系数常采用Maxwell-Gi